3.3 3.3 3.3.1 Grundlagen 0 3.3.1.1 Wirkungen des elektrischen Stroms 0 Elektrischer Strom als Schweißenergiequelle 0 0/ Bei allen Schweißverfahren, bei denen der Schmelzprozess der zu verbindenden Werkstücke nicht durch eine Brenngasflamme, ggf. durch mechanische Wärmeerzeugung oder durch eine chemisch-thermische Reaktion in Gang gesetzt wird, ist Elektrizität die Energiequelle des Prozesses. Prinzipiell werden die Stromwirkungen für die Ausführung folgender Schweißverfahren genutzt: Lichtbogenschweißverfahren (Nutzung der Gasentladung zwischen zwei Elektroden; entstehendes Hochtemperaturplasma erzeugt Wärmeenergien, die zum örtlich begrenzten Aufschmelzen von Metallen führen) Widerstandsschweißverfahren (Nutzung der elektrischen Leitfähigkeit der zu verbindenden Werkstücke und des Widerstandsgefälles an der Verbindungsstelle; Aufschmelzen erfolgt an der Stelle des größten elektrischen Widerstands) Elektrowärmeschweißverfahren (Einbringen von Wärme aus einem elektrisch erwärmten Werkzeug in die zu verbindenden Werkstücke, z.b. Lötprozesse, Kunststoffschweißen) Grundgefährdungen 0 0/ Grundgefährdungen im Zusammenhang mit elektrischem Strom sind: elektrischer Schlag durch Berühren spannungsführender Teile primäre und sekundäre Wirkungen von Störlichtbögen Wirkungen elektrostatischer Aufladung Berührung spannungsführender Teile 0 0/ 3.3 Die größte Bedeutung für den Schweißer haben die Gefährdungen, die sich aus dem Berühren spannungsführender Teile ergeben, und auch die Wirkungen von Störlichtbögen. Elektrostatische Aufladung hat im Regelfall keine unmittelbare Bedeutung für typische Schweißarbeiten. Die Wirkung des elektrischen Stroms auf den menschlichen Körper ist abhängig: von der Stromstärke des Stroms, der den Körper oder Teile davon durchfließt vom Weg des Stroms durch den Körper von der Einwirkdauer Seite 67
3.3 von der Stromart (hier ist insbesondere die Frequenz des Stroms gemeint) Stromwirkung 0 0/ Die Auswirkungen werden im Allgemeinen wie folgt beschrieben: ab 0,5 ma: Kribbeln bei Berührung ab 10 ma: Muskelverkrampfung, im Regelfall nicht tödlich ab 50 ma: Bewusstlosigkeit durch Verkrampfung der Atemmuskulatur; ggf. Herzstillstand ab 80 ma: Tod durch Herzkammerflimmern ab 5 A: akuter Herzstillstand (reversibel bei nur kurzer Einwirkzeit), schwere Verbrennungen Detaillierter und in Abhängigkeit von der Einwirkzeit zeigt die Wirkungen von Wechselstrom nachfolgendes Diagramm aus der IEC-Publikation Nr. 479. Abb. 8: Wirkung von Wechselstrom auf den menschlichen Körper Ein Strom I kann nur dann fließen, wenn eine Spannung U dies gegen einen Widerstand R ermöglicht. Nach dem ohmschen Gesetz I = U / R fließt der Strom umso stärker durch den Widerstand, je größer die elektrische Spannung oder je kleiner der Wert des Widerstands ist. Seite 68
3.3 3.3.1.2 Unerwünschter Stromfluss im normalen Stromweg der Lichtbogenschweißeinrichtungen 0 Die entscheidenden Größen sind also die Spannung und der Gesamtwiderstand aller Elemente, die sich im Stromweg befinden. Während der Handhabung der Schweißkabel, Elektrodenhalter und Elektroden und somit auch während des Schweißprozesses befindet sich der Schweißer in unmittelbarer Nähe stromführender Elemente; er nutzt den freien Lichtbogen als Werkzeug. Bei einem unerwünschten Stromfluss über den menschlichen Körper, z.b. beim Lichtbogenhandschweißen, fließt der Strom insgesamt über folgende Elemente: Elemente im Stromweg 0 0/ 1. Schweißstromquelle 2. Schweißstromzuleitungen 3. Elektrodenhalter 4. Elektrode 5. Werkstück 6. Handschuhe, Arbeitsschutzkleidung, Schuhe etc. 7. menschliche Haut, menschlicher Körper 8. Übergangswiderstände von einem Element zum anderen Während verfahrensbedingt die Widerstände der Elemente, die planmäßig zum Fortleiten des Schweißstroms dienen, niedrig sein müssen (1. bis 4.), kommt es darauf an, den Widerstand der Elemente 6., 7. und ggf. 8. so hoch wie möglich zu gestalten. Körperwiderstand erhöhen 0 0/ Der menschliche Körper kann einen Widerstand von bis zu ca. 1.000 Ω aufweisen für eine Durchströmung von der Elektrode über die ungeschützte Hand bis zum (ungeschützten) Fuß auf eine leitfähige Unterlage. Bei einer Spannung von 80 V ergibt sich mit 80 / 1.000 = 0,08 A = 80 ma bereits eine Stromgröße, die unter ungünstigen Umständen sicherheitskritisch sein kann. Es kommt also darauf an, den Widerstand durch geeignete persönliche Schutzausrüstung zu erhöhen. Unter günstigsten Umständen weisen neue, unbeschädigte Arbeitsschutzschuhe mit Gummisohle in trockener Umgebung einen Widerstand von 1000 Ω auf. Die Gefährdung ist also unter diesen Umständen deutlich geringer. Lichtbogenschweißer sind somit durch geeignete persönliche Schutzausrüstungen gegen unerwünschten Stromfluss zu schützen: unbeschädigte, trockene Sicherheitsschuhe mit Gummi- oder Kunststoffsohle, z.b. nach DIN EN ISO 20345 Seite 69
3.3 unbeschädigte trockene Schweißerschutzhandschuhe aus Leder ohne eingearbeitete Metallteile (Schnallen, Nieten o.ä.), z.b. nach DIN EN 12477 vollständige und unbeschädigte sowie trockene Arbeitsschutzbekleidung Erhöhte elektrische Gefährdung 0 0/ Können solche Idealbedingungen nicht hergestellt werden (z.b. im Freien oder in ansonsten feuchter oder verschmutzter Umgebung), spricht man von Bereichen mit erhöhter elektrischer Gefährdung. Die Arbeitsspannung typischer Schweißstromquellen des Lichtbogenhandschweißens beträgt ca. 15 40 V. Brennt der Lichtbogen nicht, steigt die Spannung stark an. Diese sogenannte Leerlaufspannung ist also im hier behandelten Zusammenhang die entscheidende sicherheitstechnische Größe, die es zu begrenzen gilt. Folgende Höchstwerte sind zulässig: Tab. 3.3.1.2: Zulässige Höchstwerte der Leerlaufspannung von Lichtbogenschweißquellen Leerlaufspannung Einsatzbedingungen Spannungsart Höchstwerte in Volt Scheitelwert Effektivwert erhöhte elektrische Gefährdung ohne erhöhte elektrische Gefährdung begrenzter Betrieb ohne erhöhte elektrische Gefährdung Lichtbogenbrenner maschinell geführt Plasmaverfahren unter Wasser mit Personen im Wasser Gleich 113 Wechsel 68 48 Gleich 113 Wechsel 113 80 Gleich 113 Wechsel 78 55 Gleich 141 Wechsel 141 100 Gleich 710 Wechsel 710 500 Gleich 65 Wechsel unzulässig Unter Bereichen mit erhöhten elektrischen Gefährdungen versteht man z.b. folgende Arbeitsplätze: Seite 70
3.3 Typische Bereiche 0 0/ Schweißer arbeitet in Zwangshaltung (kniend, sitzend, liegend, angelehnt) und berührt dabei mit seinem Körper elektrisch leitfähige Teile freier Bewegungsraum für den Schweißer zwischen zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen beträgt weniger als 2 m Schweißer arbeitet unter nassen, feuchten oder heißen Umgebungsbedingungen Schweißstromquellen, die in Bereichen mit erhöhter elektrischer Gefährdung eingesetzt werden dürfen, sind speziell gekennzeichnet. Abb. 9: Kennzeichnung einer Schweißstromquelle zum Einsatz in Bereichen mit erhöhter elektrischer Gefährdung Technische Anforderungen 0 0/ Soll unter solchen Bedingungen mit Einrichtungen mit höherer Leerlaufspannung gearbeitet werden als in Tabelle 3.3.1.2 Zeile 1 angegeben, müssen bestimmte Randbedingungen eingehalten werden: Einsatz automatischer Leerlaufspannungsminderungseinrichtungen an der Schweißstromquelle automatische Umschalteinrichtung zwischen Wechselspannung und Gleichspannung an der Schweißstromquelle zusätzliche Maßnahmen zur Isolierung des Schweißers (isolierende Unterlage, isolierende Kopfbedeckung o.ä.) In Bereichen mit erhöhter elektrischer Gefährdung dürfen Brennerstörungen nicht behoben werden, indem der Schweißer den Brenner öffnet. Die Schweißstromquelle muss immer vorher abgeschaltet werden oder man muss aus dem gefährdeten Bereich herausgehen! Seite 71
3.3 Zusammengeschaltete Schweißstromquellen 0 0/ Bei Anlagen mit mehreren zusammengeschalteten Schweißstromquellen dürfen weder die Werte der einzelnen Quellen noch die resultierenden Werte die oben genannten Grenzen überschreiten. Unter Umständen müssen Arbeitsplätze z.b. durch isolierende Zwischenwände voneinander getrennt werden. 3.3.1.3 Weitere Hinweise 0 Beachten Sie auch die weiteren Hinweise zu arbeitsschutzgerechtem Verhalten: Schweißstromquellen bei längeren Arbeitsunterbrechungen (auch Arbeitspausen, Schichtwechsel o.ä.) abschalten; Gefährdung durch Leerlaufspannung wird so von vornherein vermieden nicht mit beschädigten Schweißstromquellen, Leitungen oder Schweißwerkzeugen arbeiten Elektrodenhalter, MAG-Brenner nicht unter den Arm klemmen potenziell spannungsführende Bereiche nicht bewusst berühren (Draht- oder Elektrodenspitze, Stromkontaktrohr, Kontakte der Schweißzange), auch nicht mittels Werkzeug Stabelektroden nur mit trockenen Schweißerschutzhandschuhen wechseln Drahtelektroden spannungsfrei wechseln auch bei Sitzgelegenheiten darauf achten, dass keine leitfähigen Verbindungen zum Körper hergestellt werden (Armlehnen aus Metall; Metallschrauben im Holzsitz o.ä.) 3.3.1.4 Unerwünschter Stromfluss durch beschädigte elektrische Betriebsmittel 0 Konforme und sichere Betriebsmittel 0 0/ Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen 0 0/ Netzanschlussleitungen, Schweißstromerzeuger, ggf. Schweißstromkabel und Übertragungselemente (z.b. Elektrodenhalter), sonstige teilmechanisierte, vollmechanisierte oder automatische Schweißeinrichtungen dürfen nur benutzt werden, wenn sie nicht beschädigt sind. Neue Elemente müssen den geltenden Rechtsvorschriften für Produkte (hier im Regelfall 1. ProdSV und/oder 9. ProdSV) entsprechen. Im Zuge der Benutzung sind diese Einrichtungen regelmäßig wiederkehrend zu prüfen. Dies erfolgt auf der Grundlage der BetrSichV (wiederkehrende Prüfung von Arbeitsmitteln, die Schäden verursachenden Einflüssen unterliegen) und 5 der BGV A3. Einen sehr guten Schutz gegen Gefährdungen durch elektrischen Schlag bieten Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen in den Seite 72
3.3 Versorgungsnetzen der Schweißbetriebe, die beim Auftreten eines Fehlers in der Stromleitung (ggf. Stromschlag über eine Person) ein zuverlässiges und schnelles Abschalten der Stromversorgung bewirken. 3.3.1.5 Sekundärwirkungen 0 Neben den oben beschriebenen direkten Wirkungen des elektrischen Stroms auf den Menschen können weitere Effekte zu Verletzungen oder zum Tode führen: Verbrennungen oder Schädigung der Augen durch Lichtbogenwirkung Verletzungen durch Herausschleudern von Bauteilen durch Lichtbogeneinwirkung Folgeverletzungen durch ausgelöste Brände oder Explosionen Sturzverletzungen, z.b. von einem Arbeitsplatz in größerer Höhe aus sonstige thermische Wirkungen des Stroms 3.3.1.6 Beschädigung von elektrischen Betriebsmitteln 0 Bei unsachgemäßem Arbeiten können über die akuten Gefährdungen von Personen hinaus Schäden an den Einrichtungen auftreten. Richten Sie das Handeln aller Beteiligten im Unternehmen bis hin zu den Beschäftigten auch hier sicherheitsgerecht aus. Ablage des Elektrodenhalters 0 0/ Bei Lichtbogenhandschweißeinrichtungen erfolgt die Ablage des Elektrodenhalters immer auf isoliertem Untergrund und ohne Elektrodenrest. Niemals mit beschädigten oder fehlenden Isolierstücken des Elektrodenhalters arbeiten. Schutzgasschweißbrenner sind so abzulegen, dass der Brennerschalter nicht versehentlich betätigt wird. Seite 73
3.3 Abb. 10: Ablage des Elektrodenhalters isoliert und ohne Elektrodenrest Vagabundierende Schweißströme 0 0/ Schutzleiter von elektrischen Antrieben innerhalb der Schweißstromquelle oder von anderen elektrischen Geräten können durch vagabundierende Schweißströme beschädigt werden. Drahtseile, z.b. von Personenaufnahmemitteln, können dadurch beschädigt werden. Der Absturz der gesicherten Person wäre die Folge. Eine nicht korrekt angebrachte Schweißstromrückleitung kann diese Probleme verstärken. Beachten Sie deshalb: Wichtige Maßnahmen 0 0/ schutzisolierte Elektrowerkzeuge verwenden bei Arbeiten an oder in der Nähe von Schweißarbeitsplätzen Lichtbogenzündversuche an dafür nicht vorgesehenen Stellen unterlassen Schweißstromrückleitung sicher am Werkstück oder Schweißtisch befestigen, sodass kürzestmögliche Stromwege entstehen niemals mehrere Schweißarbeitsplätze mit einer Sammelrückleitung verbinden bei Arbeiten von Personenaufnahmemitteln aus den Arbeitskorb immer isoliert aufhängen; ausreichend dimensionierte Schweißstromleitungen verwenden beim Schweißen von Bauteilen am Kran die Werkstücke immer isoliert aufhängen (trockene Hanf- oder Kunstfaserseile) Rückstrom niemals über Räder, Rollen, Lager o.ä. eines zu schweißenden Bauteils führen Schweißkabel immer ausreichend dimensionieren, um Beschädigungen durch Widerstandserwärmung zu dünner Kabel zu verhindern Seite 74
3.3 Abb. 11: Definierte Anbringung der Schweißstromrückleitung Als praktische Ergänzung zu diesem Kapitel finden Sie im Anhang auf der CD-ROM die editierbare Checkliste 4.5 Sicherer Umgang mit Schweißmaschinen. 3.3.2 Gefährdungen durch elektrischen Schlag 0 3.3.2.1 Gefährdungsfaktor: elektrischer Schlag (I) 0 Die folgende Tabelle zeigt Grundinformationen zur Verwendung im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung für Arbeitssysteme für den Gefährdungsfaktor elektrische Gefährdung elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss im Zuge der Schweißstromführung) im Zusammenhang mit Schweißarbeitsplätzen. Seite 75
3.3 Tab. 3.3.2.1: Gefährdungsfaktor: elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss im Zuge der Schweißstromführung) Gefährdung Ursachen, Quellen, Hinweise mögliches Vorkommen elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss im Zuge der Schweißstromführung) beschädigte Schweißstromquellen nicht korrekt ausgewählte Schweißstromquellen beschädigte Leitungsführung und/oder Schweißwerkzeuge nicht korrekt dimensionierte Leitungsführung und/oder Schweißwerkzeuge nicht korrekt angebrachte Schweißstromrückführung ungünstige Umgebungsbedingungen persönliches Fehlverhalten der Schweißer (vgl. Kapitel 3.3.1.3) alle Lichtbogenschweißprozesse (Ordnungsnummer 1 nach DIN EN ISO 4063) diverse Prozesse des Schneidens und Ausfugens, sofern Lichtbogenwirkung eine Rolle spielt (z.b. Ordnungsnummern 82, 83, 84, 87, 88, 972 bis 975) thermisches Spritzen mögliche Folgen schwere bis tödliche Verletzungen durch die direkte Wirkung des elektrischen Stroms Verletzungen, u.u. tödliche Verletzungen durch Sekundärwirkungen, wie unter Kapitel 3.3.1.5 beschrieben Maßnahmen (beispielhaft) Schweißstromquellen korrekt auswählen und bestimmungsgemäß einsetzen Leitungsführung und Schweißwerkzeuge korrekt dimensionieren und richtig anwenden Bereiche erhöhter elektrischer Gefährdung beachten Einrichtungen nach BetrSichV und BGV A3 regelmäßig wiederkehrend prüfen beschädigte Einrichtungen nicht benutzen Wartung, Reinigung, Reparatur nur durch Elektrofachkräfte ausführen lassen Elektroinstallateure sicherheitsgerecht ausbilden Schweißer arbeiten mit korrekt ausgewählter und unbeschädigter persönlicher Schutzausrüstung (siehe Kapitel 3.3.1.2) Schweißer nutzen ggf. zusätzliche isolierende Einrichtungen in Bereichen erhöhter elektrischer Gefährdung Unterweisungen und Betriebsanweisungen für die Schweißarbeitsplätze wie davor, jedoch ggf. zusätzlich für besondere Arbeits- oder Umgebungsbedingungen Vermittlung der Hinweise, wie unter Kapitel 3.3.1.6 aufgeführt Seite 76
3.3 Gefährdung Hinweise, ausgewählte Literatur elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss im Zuge der Schweißstromführung) BetrSichV 1. ProdSV*) BGV A3 BGI 553 Lichtbogenschweißer DIN EN 60204-1:2007 Sicherheit von Maschinen Elektrische Ausrüstung von Maschinen Teil 1: Allgemeine Anforderungen DIN EN 60974 (Normenreihe) Lichtbogenschweißeinrichtungen VDE 0100 (Normenreihe) Errichten von Niederspannungsanlagen VDE 0544 (Normenreihe) Schweißeinrichtungen und Betriebsmittel für das Lichtbogenschweißen und verwandte Verfahren Spezifikationen und Normen zu PSA siehe Anlage zum Fachbuch *) = mit weiteren jeweils zutreffenden harmonisierten Normen Abb. 12: Verwendung isolierender Unterlagen in Bereichen erhöhter elektrischer Gefährdung 3.3.2.2 Gefährdungsfaktor: elektrischer Schlag (II) 0 Die folgende Tabelle zeigt Grundinformationen zur Verwendung im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung für Arbeitssysteme für den Gefährdungsfaktor elektrische Gefährdung elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss durch beschädigte Einrichtungen) im Zusammenhang mit Schweißarbeitsplätzen. Seite 77
3.3 Tab. 3.3.2.2: Gefährdungsfaktor: elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss durch beschädigte Einrichtungen) Gefährdung Ursachen, Quellen, Hinweise mögliches Vorkommen elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss durch beschädigte Einrichtungen) nicht konforme oder nicht sichere (beschädigte) Schweißmaschinen oder vergleichbare Einrichtungen (auch Maschinen zur Vor- und Nachbereitung von Werkstücken o.ä.) nicht korrekt ausgewählte Schweißmaschinen oder vergleichbare Einrichtungen alle Lichtbogenschweißprozesse (Ordnungsnummer 1 nach DIN EN ISO 4063) alle Widerstandsschweißprozesse (Ordnungsnummer 2) Pressschweißprozesse unter Nutzung elektrisch angetriebener Einrichtungen (z.b. Ordnungsnummern 41, 42, 43, 45, 47, 48, 49) alle Strahlschweißprozesse (Ordnungsnummer 5) weitere Schweißprozesse unter Nutzung elektrischer Energie oder Antriebe (z.b. Ordnungsnummern 72, 74, 78) diverse Prozesse des Schneidens und Ausfugens, sofern elektrische Betriebsmittel verwendet werden (z.b. Ordnungsnummern 82, 83, 84, 87, 88) im Regelfall alle Lötprozesse (Ordnungsnummer 9 außer 912, 942, 971) Klebeprozesse, sofern elektrische Wärmeeinrichtungen verwendet werden Vor- und Nachbereitungsarbeiten der Werkstücke, sofern elektrische Werkzeuge verwendet werden thermisches Spritzen mögliche Folgen schwere bis tödliche Verletzungen durch die direkte Wirkung des elektrischen Stroms Verletzungen, u.u. tödliche Verletzungen durch Sekundärwirkungen, wie unter Kapitel 3.3.1.5 beschrieben Maßnahmen (beispielhaft) Einsatz konformer und sicherer elektrischer Betriebsmittel (Schweißmaschinen, sonstige Schweißeinrichtungen, elektrische Werkzeuge, elektrische Wärmeeinrichtungen etc.) Einrichtungen nach BetrSichV und BGV A3 regelmäßig wiederkehrend prüfen beschädigte Einrichtungen nicht benutzen Wartung, Reinigung, Reparatur nur durch Elektrofachkräfte ausführen lassen Elektroinstallateure sicherheitsgerecht ausbilden Unterweisungen und Betriebsanweisungen für die Schweißarbeitsplätze wie davor, jedoch ggf. zusätzlich für besondere Arbeits- oder Umgebungsbedingungen Seite 78
3.3 Gefährdung Hinweise, ausgewählte Literatur elektrischer Schlag (unerwünschter Stromfluss durch beschädigte Einrichtungen) BetrSichV 1. ProdSV*) BGV A3 DIN ISO 669:2001 Widerstandsschweißen Widerstandsschweißeinrichtungen Mechanische und elektrische Anforderungen DIN EN ISO 11553-1:2009 Sicherheit von Maschinen Laserbearbeitungsmaschinen Teil 1: Allgemeine Sicherheitsanforderungen DIN EN ISO 12100:2011 Sicherheit von Maschinen Allgemeine Gestaltungsleitsätze Risikobeurteilung und Risikominderung DIN EN 60034 (Normenreihe) Drehende elektrische Maschinen DIN EN 60204-1:2007 Sicherheit von Maschinen Elektrische Ausrüstung von Maschinen Teil 1: Allgemeine Anforderungen DIN EN 60519 (Normenreihe) Sicherheit in Elektrowärmeanlagen DIN EN 60745 (Normenreihe) Handgeführte motorbetriebene Elektrowerkzeuge DIN EN 60974 (Normenreihe) Lichtbogenschweißeinrichtungen DIN EN 61029 (Normenreihe) Sicherheit transportabler motorbetriebener Elektrowerkzeuge DIN EN 62135-1:2009 Widerstandsschweißeinrichtungen Teil 1: Sicherheitsanforderungen für die Konstruktion, Herstellung und Errichtung VDE 0100 (Normenreihe) Errichten von Niederspannungsanlagen VDE 0544 (Normenreihe) Schweißeinrichtungen und Betriebsmittel für das Lichtbogenschweißen und verwandte Verfahren *) = mit weiteren jeweils zutreffenden harmonisierten Normen Seite 79